Oplichtende nachtwolken, internationaal bekend als noctilucent clouds (NLC’s) of polar mesospheric clouds, behoren tot de meest intrigerende verschijnselen in de aardatmosfeer. Ze verschijnen als zilverachtige, blauwachtig gloeiende structuren die de nachtelijke hemel sieren lang nadat de zon onder de horizon is verdwenen. Voor waarnemers lijken ze soms op buitenaardse patronen of futuristische netwerken van licht, wat hun fascinatie nog vergroot. Wetenschappelijk gezien zijn NLC’s een unieke combinatie van atmosferische fysica, chemie, astronomie en klimaatwetenschap. Ze vormen zich in een extreem dunne en koude laag van de atmosfeer, bijna aan de rand van de ruimte, en vormen daardoor een zeldzaam venster op processen die zich anders aan menselijke waarneming onttrekken.
Wat zijn oplichtende nachtwolken?
Noctilucent clouds zijn wolken van microscopische ijskristallen die zich vormen op ongeveer 80 tot 86 kilometer hoogte boven het aardoppervlak, in de mesosfeer, veel hoger dan gewone wolken zoals cumulus- of cirruswolken. Ter vergelijking: commerciële vliegtuigen vliegen op circa 10 tot 12 kilometer hoogte, en zelfs de hoogste cirruswolken bereiken zelden meer dan 13 tot 15 kilometer. NLC’s bevinden zich dus in een atmosferisch domein dat vaak wordt aangeduid als de “rand van de ruimte”. Deze wolken bestaan uit uiterst kleine ijskristallen die zich vormen rond stofdeeltjes van kosmische oorsprong (meteorisch stof) of andere aerosolpartikels. Ondanks de zeer geringe hoeveelheid waterdamp in de mesosfeer, kan dit water onder extreem lage temperaturen bevriezen en wolken vormen. Een opvallend kenmerk is dat NLC’s zichtbaar zijn wanneer de zon al onder de horizon staat. Dit komt doordat ze zo hoog in de atmosfeer liggen dat ze nog zonlicht ontvangen, terwijl het aardoppervlak al in de schaduw ligt. Ze reflecteren dit licht naar beneden, wat hun karakteristieke zilverachtige of blauwachtige gloed veroorzaakt.
Waar en wanneer worden NLC’s waargenomen?
NLC’s worden vooral waargenomen in hoge breedtegraden, doorgaans tussen ongeveer 45° en 80° noorder- of zuiderbreedte. In Europa worden ze regelmatig gezien in Scandinavië, het Verenigd Koninkrijk, Duitsland, Nederland en België tijdens de zomermaanden. Historisch gezien waren NLC’s vooral beperkt tot poolgebieden, maar moderne waarnemingen tonen aan dat ze steeds vaker op middelbare breedten verschijnen, mogelijk als gevolg van veranderingen in de atmosfeer door klimaatverandering en menselijke activiteiten. De wolken verschijnen vrijwel uitsluitend in de zomer van elk halfrond. In het noordelijk halfrond loopt het NLC-seizoen doorgaans van eind mei tot eind augustus, met een piek rond de zomerzonnewende in juni en juli. In het zuidelijk halfrond begint het seizoen rond oktober en duurt het tot februari. Het feit dat deze wolken juist in de zomer verschijnen, terwijl de mesosfeer paradoxaal genoeg dan het koudst is, is een belangrijke aanwijzing voor hun ontstaan. NLC’s zijn zichtbaar tijdens de schemering: ongeveer 30 minuten tot enkele uren na zonsondergang of in de vroege ochtend, enkele uren voor zonsopgang. Ze worden meestal waargenomen laag aan de horizon, in de richting van de zon, omdat ze zonlicht reflecteren dat onder een zeer kleine hoek binnenkomt.
Hoe ontstaan oplichtende nachtwolken?
De eerste en belangrijkste voorwaarde voor het ontstaan van oplichtende nachtwolken is extreme kou. In de mesosfeer kunnen temperaturen dalen tot ongeveer min 120 graden Celsius, wat veel kouder is dan in welke andere laag van de atmosfeer ook. Opmerkelijk genoeg is de mesosfeer juist het koudst tijdens de zomer, vooral boven de poolgebieden. Dit komt door grootschalige luchtstromingen in de atmosfeer. In de zomer warmt de zon de lagere atmosferische lagen op, waardoor lucht omhoog wordt getransporteerd richting de polen. Deze opstijgende lucht zet uit en koelt af, wat leidt tot extreem lage temperaturen in de mesosfeer. Deze koude omstandigheden zijn noodzakelijk omdat watermoleculen anders te veel energie hebben om samen te klonteren en ijskristallen te vormen.
Naast lage temperaturen is waterdamp een tweede cruciale factor. De mesosfeer is extreem droog vergeleken met de lagere atmosfeer; de hoeveelheid waterdamp is duizenden keren kleiner dan in de troposfeer, waar wolken en neerslag ontstaan. Toch is zelfs deze kleine hoeveelheid voldoende om wolken te vormen wanneer de temperatuur laag genoeg is. Het water in de mesosfeer heeft meerdere bronnen. Een deel wordt langzaam omhoog getransporteerd vanuit lagere lagen van de atmosfeer door grootschalige circulatieprocessen. Daarnaast speelt methaan een belangrijke rol. Methaan, een broeikasgas dat in de lagere atmosfeer wordt uitgestoten door natuurlijke en menselijke bronnen, stijgt op tot grote hoogten. In de bovenste atmosfeer wordt methaan afgebroken door ultraviolet zonlicht, waarbij waterdamp ontstaat. Hierdoor kan een toename van methaan op aarde indirect leiden tot meer waterdamp in de mesosfeer en dus tot meer kans op NLC-vorming. Ook menselijke activiteiten zoals raketlanceringen kunnen lokaal waterdamp in de bovenste atmosfeer brengen, al wordt de precieze impact daarvan nog onderzocht.
De derde noodzakelijke voorwaarde voor het ontstaan van oplichtende nachtwolken is de aanwezigheid van stofdeeltjes, die fungeren als condensatiekernen. Deze deeltjes zijn meestal van kosmische oorsprong. Elke dag komt er een grote hoeveelheid micrometeorieten en kosmisch stof de aardatmosfeer binnen. De meeste van deze deeltjes zijn extreem klein en verbranden of verdampen wanneer ze door de atmosfeer bewegen. Daarbij ontstaan ultrafijne restdeeltjes, vaak aangeduid als “meteor smoke particles”. Deze deeltjes zijn slechts enkele nanometers groot en zweven in de mesosfeer. Watermoleculen kunnen zich aan deze deeltjes hechten en zo de eerste kiemen van ijskristallen vormen. Zonder deze condensatiekernen zou het vormen van ijskristallen veel moeilijker zijn, omdat watermoleculen in de ijle mesosferische lucht weinig kans hebben om elkaar te ontmoeten en samen te klonteren.
Wanneer deze drie voorwaarden, kou, waterdamp en stofdeeltjes, tegelijk aanwezig zijn, kan het eigenlijke proces van wolkvorming beginnen. Watermoleculen hechten zich aan de stofdeeltjes en vormen minuscule ijskristallen. Deze kristallen zijn extreem klein, meestal tussen tien en honderd nanometer groot. Ter vergelijking: een menselijke haar is ongeveer tachtigduizend nanometer dik. De groei van deze kristallen is een dynamisch proces, waarbij watermoleculen voortdurend aanhechten en weer loslaten, afhankelijk van temperatuur, druk en stralingscondities. Zonnestraling en kosmische straling kunnen de deeltjes elektrisch laden en hun interacties beïnvloeden, wat bijdraagt aan de complexe microfysica van NLC’s. De mesosfeer is bovendien geen statische laag. Atmosferische golven, zoals zwaartekrachtgolven die ontstaan door stormen, bergen en grootschalige weerpatronen in de lagere atmosfeer, bewegen omhoog en beïnvloeden de mesosfeer. Deze golven veroorzaken lokale temperatuurverschillen en dichtheidsvariaties. In gebieden waar de temperatuur tijdelijk nog lager wordt, kunnen meer ijskristallen ontstaan, terwijl in iets warmere gebieden kristallen weer verdwijnen. Dit proces leidt tot de karakteristieke structuren van oplichtende nachtwolken, zoals golvende banden, netachtige patronen en fijne filamenten. Deze patronen worden door wetenschappers gebruikt om informatie te verkrijgen over windpatronen en turbulentie op grote hoogte.
Klimaatverandering en NLC's
Oplichtende nachtwolken, of noctilucent clouds (NLC’s), worden steeds vaker genoemd in verband met klimaatverandering. Dit komt doordat ze zich vormen in een zeer gevoelig deel van de atmosfeer, waar kleine veranderingen in temperatuur en chemische samenstelling grote effecten kunnen hebben. In tegenstelling tot gewone wolken, die vooral reageren op lokale weersomstandigheden, reageren NLC’s op mondiale veranderingen in de bovenste atmosfeer. Hierdoor beschouwen wetenschappers ze als een mogelijke indicator van klimaatverandering in de mesosfeer. Een van de belangrijkste effecten van klimaatverandering op NLC’s is de afkoeling van de bovenste atmosfeer. In de lagere atmosfeer, zoals de troposfeer en stratosfeer, zorgen broeikasgassen zoals koolstofdioxide (CO₂) en methaan voor opwarming doordat ze infraroodstraling vasthouden. In de mesosfeer werkt CO₂ echter anders. Op grote hoogte is de lucht zo ijl dat CO₂ juist efficiënt warmte kan uitstralen naar de ruimte. Daardoor leidt een toename van CO₂ paradoxaal genoeg tot afkoeling van de mesosfeer. Omdat NLC’s alleen kunnen ontstaan bij extreem lage temperaturen, betekent deze afkoeling dat de omstandigheden gunstiger worden voor de vorming van ijskristallen. Veel modellen en waarnemingen suggereren dat de mesosfeer de afgelopen decennia enkele graden is afgekoeld, wat kan bijdragen aan een toename in NLC-activiteit.
Naast temperatuur speelt waterdamp een cruciale rol. Waterdamp is in de mesosfeer schaars, maar zelfs kleine veranderingen in de hoeveelheid water kunnen een groot effect hebben op de vorming van NLC’s. Methaan, een krachtig broeikasgas dat in toenemende mate in de atmosfeer aanwezig is door menselijke activiteiten zoals landbouw, veeteelt en fossiele brandstoffen, wordt in de bovenste atmosfeer afgebroken door ultraviolet zonlicht. Bij deze afbraak ontstaat waterdamp. Een stijging van methaanconcentraties kan dus leiden tot een toename van waterdamp in de mesosfeer, wat de vorming en groei van ijskristallen in NLC’s bevordert. Dit is een van de belangrijkste hypothesen waarom NLC’s tegenwoordig vaker worden waargenomen dan in het verleden.
Waarnemingen sinds het einde van de twintigste eeuw tonen inderdaad een trend van toenemende frequentie en helderheid van NLC’s, evenals waarnemingen op lagere breedtegraden dan vroeger gebruikelijk was. Historische gegevens suggereren dat NLC’s vóór het einde van de negentiende eeuw zeldzaam of zelfs afwezig waren in waarnemingen, terwijl ze tegenwoordig regelmatig worden gezien in Noord-Europa, Noord-Amerika en vergelijkbare breedten. Dit patroon past bij de hypothese dat menselijke invloed op de atmosfeer de omstandigheden voor NLC-vorming heeft veranderd. Toch is het moeilijk om een directe, eenvoudige causaliteit vast te stellen, omdat natuurlijke variabiliteit, zonneactiviteit en atmosferische dynamica eveneens een belangrijke rol spelen. Klimaatverandering beïnvloedt ook de atmosferische circulatie, wat indirect effect heeft op NLC’s. Grootschalige veranderingen in windpatronen en temperatuurgradiënten kunnen de transportprocessen van waterdamp en andere gassen naar de mesosfeer veranderen. Als bijvoorbeeld meer waterdamp naar hoge breedten wordt getransporteerd, kan dit lokaal de vorming van NLC’s versterken. Daarnaast kunnen veranderingen in de dynamica van atmosferische golven de structuur en verspreiding van NLC’s beïnvloeden, waardoor ze anders verschijnen dan in het verleden.
